DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN ARMADO
La diseño de estructuras de hormigón armado presente guía muestra una metodología a seguir para el diseño de elementos de hormigón armado, mediante las consideraciones y exigencias establecidas en el código ACI-318 y conjuntamente con la NEC-SE-HM. Para lo cual se detallará dicho procedimiento mediante el análisis y diseño estructural utilizando un programa y su comparación con el diseño manual, aplicados al edificio mostrado a continuación.
1 Antecedentes 9
1.1 Materiales 11
1.1.1 Introducción 11
1.1.2 Durabilidad del hormigón [NEC-SE-HM, 3.2] 11
1.1.3 Requisitos para mezclas de hormigón 12
1.1.4 Propiedades mecánicas del hormigón armado [NEC-SEHM, 3.3.1] 12
1.1.5 Cálculo del módulo de elasticidad del hormigón (Ec) 13
1.1.6 Calidad del concreto 13
1.1.7 Acero y armadura de refuerzo 15
1.1.8 Propiedades mecánicas principales del acero de refuerzo 15
1.1.9 Colocación del acero de refuerzo y especificaciones 15
1.1.10 Tipos de acero para hormigón armado 16
1.2 Requisitos para diseño sísmico [NEC-SE-HM, 2.3] 17
1.3 Dimensión de elementos 19
1.4 Cargas 19
1.5 Combinaciones de carga 19
1.6 Diseño a flexión en hormigón armado 20
1.6.1 Requisitos para elementos a flexión [NEC-SE-HM, 4.2.1] 21
1.6.2 Diseño a flexión de viga 23
1.6.3 Comprobación de requerimientos del acero 25
1.7 Diseño a corte en vigas 31
1.7.1 Requisitos para corte [NEC-SE-HM, 5.1.1] 31
1.7.2 Diseño a corte de la viga 32
1.8 Revisión de torsión en viga 36
1.8.1 Requisitos para torsión 37
1.9 Flexión, cargas axiales y combinación de ambas. 39
Índice
1.9.1 Elementos en Flexo – Compresión [NEC-SE-HM, 4.3] 39
1.9.2 Requisitos para elementos en Flexo – Compresión [NEC-SE-HM, 4.3.1] 40
1.9.2.1 Diseño a Flexo – Compresión 43
1.9.2.2 Diseño de Columna considerando Efectos de Esbeltez 48
1.9.2.3 Refuerzo transversal, confinamiento [NEC-SE-HM, 4.3.4]; [ACI, 18.7.5] 55
1.9.2.3.1 Diseño por Confinamiento 59
1.9.2.4 Chequeo Columna Fuerte – Viga Débil 64
1.10 Diseño de cimentaciones 73
1.10.1 Corte unidireccional 79
1.10.2 Corte bidireccional 82
1.10.3 Corte bidireccional alternativa uno 83
1.10.4 Corte bidireccional alternativa dos 85
1.10.5 Diseño acero de refuerzo 87
1.10.6 Longitud de desarrollo a tracción 89
1.10.7 Revisión de aplastamiento 90
1.11 Muros de contención 90
1.11.1 Diseño de muro en voladizo 91
1.11.2 Diseño del refuerzo del muro 95
Referencias 106
Índice de figuras
Figura 1: Vista en 3D del edificio 9
Figura 2: Vista en planta del edificio 10
Figura 3: Vista en elevación del edificio 10
Figura 4: Esfuerzos y deformaciones en viga 20
Figura 5: Características de los elementos a flexión 22
Figura 6: Acero en vigas y columnas eje 3 23
Figura 7: Momentos obtenidos en el análisis 27
Figura 8: Momentos últimos para diseño 28
Figura 9: Áreas de refuerzo: cálculo manual vs programa de análisis estructural 29
Figura 10: Armado viga refuerzo longitudinal 30
Figura 11: Corte A-A’ 30
Figura 12: Reporte de diseño automático (programa de análisis estructural) 31
Figura 13: Área encerrada por el flujo de cortante 36
Figura 14: Características de torsión 37
Figura 15: Elevación de la Columna analizada 39
Figura 16: Cargas Últimas proporcionadas por el programa de análisis estructural 43
Figura 17: Resultados del análisis estructural para diseño a Flexo-Compresión (Acero de Refuerzo en cm2) 44
Figura 18: Resultados del análisis estructural para diseño a Flexo – Compresión (Cuantía Requerida) 44
Figura 19: Detalle de Arreglo Escogido 45
Figura 20: Diagrama de Interacción de la Columna Analizada 46
Figura 21: Arreglo escogido para la columna 47
Figura 22: Diagramas de Interacción Reales de la columna analizada 47
Figura 23: Longitud Libre 49
Figura 24: Columna de análisis aislada 52
Figura 25: Nomograma para pórticos no Arriostrados 53
Figura 26: Planta de edificio propuesto 54
Figura 27: Ejemplo de refuerzo transversal en columnas 57
Figura 28: Separación de estribos 57
Figura 29: Resultados del análisis estructural para diseño a Corte 58
Figura 30: Detalle de arreglo propuesto 59
Figura 31: Vista en planta de columna diseñada 62
Figura 32: Vista en elevación de columna diseñada 63
Figura 33: Revisión de: Capacidad de Columna / Capacidad de Viga 64
Figura 34: Revisión de: 1.2 de Capacidad de Viga / Capacidad de Columna 65
Figura 35: Planta analizada (Armadura calculada en Vigas) 66
Figura 36: Planta de Vigas y Columnas que llegan al nudo 66
Figura 37: Elevación de Vigas y Columnas que llegan al nudo (Armadura calculada) 67
Figura 38: Momentos en la unión viga – columna 67
Figura 39: Diagrama de Interacción nominal 69
Figura 40: Diagrama de Interacción nominal 70
Figura 41: Armadura colocada en vigas (Dirección X y Dirección Y) 72
Figura 42: Esquema de zapata cuadrada 76
Figura 43: Diagrama de esfuerzos de servicio carga vertical 77
Figura 44: Diagrama de esfuerzos de servicio carga vertical + sismo 78
Figura 45: Sección crítica para corte unidireccional 79
Figura 46: Diagrama de esfuerzos para corte unidireccional, carga vertical 80
Figura 47: Diagrama de esfuerzos para corte unidireccional, carga vertical + sismo 81
Figura 48: Sección crítica para corte bidireccional 82
Figura 49: Sección crítica para corte bidireccional, carga vertical 83
Figura 50: Sección crítica para corte bidireccional, carga vertical + sismo 84
Figura 51: Diagrama de esfuerzos últimos para cálculo de momentos 87
Figura 52: Armadura de refuerzo – vista 3D y en planta 89
Figura 53: Muro en voladizo esquema y dimensiones 91
Figura 54: Dimensiones, peso y momentos del muro 94
Figura 55: Distribución de esfuerzos del suelo 94
Figura 56: Presiones en la pantalla del muro 95
Figura 57: Distribución acero en pantalla 96
Figura 58: DLC del dedo del muro 99
Figura 59: DLC del talón del muro 101
Figura 60: Esquema del diente del muro 103
Índice de tablas
Tabla 1: Clasificación de edificios de hormigón armado 18
Tabla 2: Combinación de cargas fuente: NEC –SE-CG 19
Tabla 3: Momentos y cuantías de acero en la viga 24
Tabla 4: Momentos y combinación de carga 27
Tabla 5: Cálculo del área de refuerzo de acero 28
Tabla 6: Momento y Aceros de refuerzo 29
Tabla 7: Resumen de diseño a corte (programa de análisis estructural) 35
Tabla 8: Cálculo de acero 36
Tabla 9: Resultados de torsión (programa de análisis estructural) 38
Tabla 10: Cargas Actuantes sobre la columna 40
Tabla 11: Cargas Últimas 41
Tabla 12: Esfuerzos Producidos 42
Tabla 13: Propiedades de la sección y Resultados de Diseño 45
Tabla 14: Cargas axiales últimas para columnas de todo el piso (ton) 55
Tabla 15: Cuantías mínimas para estribos de confinamiento (Fuente ACI 318S-14, 18.7.5.4) 58
Tabla 16: Características columna considerada 59
Tabla 17: Cargas obtenidas mediante programa de análisis estructural 74
Tabla 18: Combinaciones de carga 74
Tabla 19: Combinaciones de cargas últimas 78
Tabla 20: Resumen alturas efectivas de acuerdo al corte 86
Tabla 21: Valores Ru 88
Tabla 22: Centro de gravedad y peso de muro 92
Tabla 23: Momentos en puntos B y C
1.1 Materiales 11
1.1.1 Introducción 11
1.1.2 Durabilidad del hormigón [NEC-SE-HM, 3.2] 11
1.1.3 Requisitos para mezclas de hormigón 12
1.1.4 Propiedades mecánicas del hormigón armado [NEC-SEHM, 3.3.1] 12
1.1.5 Cálculo del módulo de elasticidad del hormigón (Ec) 13
1.1.6 Calidad del concreto 13
1.1.7 Acero y armadura de refuerzo 15
1.1.8 Propiedades mecánicas principales del acero de refuerzo 15
1.1.9 Colocación del acero de refuerzo y especificaciones 15
1.1.10 Tipos de acero para hormigón armado 16
1.2 Requisitos para diseño sísmico [NEC-SE-HM, 2.3] 17
1.3 Dimensión de elementos 19
1.4 Cargas 19
1.5 Combinaciones de carga 19
1.6 Diseño a flexión en hormigón armado 20
1.6.1 Requisitos para elementos a flexión [NEC-SE-HM, 4.2.1] 21
1.6.2 Diseño a flexión de viga 23
1.6.3 Comprobación de requerimientos del acero 25
1.7 Diseño a corte en vigas 31
1.7.1 Requisitos para corte [NEC-SE-HM, 5.1.1] 31
1.7.2 Diseño a corte de la viga 32
1.8 Revisión de torsión en viga 36
1.8.1 Requisitos para torsión 37
1.9 Flexión, cargas axiales y combinación de ambas. 39
Índice
1.9.1 Elementos en Flexo – Compresión [NEC-SE-HM, 4.3] 39
1.9.2 Requisitos para elementos en Flexo – Compresión [NEC-SE-HM, 4.3.1] 40
1.9.2.1 Diseño a Flexo – Compresión 43
1.9.2.2 Diseño de Columna considerando Efectos de Esbeltez 48
1.9.2.3 Refuerzo transversal, confinamiento [NEC-SE-HM, 4.3.4]; [ACI, 18.7.5] 55
1.9.2.3.1 Diseño por Confinamiento 59
1.9.2.4 Chequeo Columna Fuerte – Viga Débil 64
1.10 Diseño de cimentaciones 73
1.10.1 Corte unidireccional 79
1.10.2 Corte bidireccional 82
1.10.3 Corte bidireccional alternativa uno 83
1.10.4 Corte bidireccional alternativa dos 85
1.10.5 Diseño acero de refuerzo 87
1.10.6 Longitud de desarrollo a tracción 89
1.10.7 Revisión de aplastamiento 90
1.11 Muros de contención 90
1.11.1 Diseño de muro en voladizo 91
1.11.2 Diseño del refuerzo del muro 95
Referencias 106
Índice de figuras
Figura 1: Vista en 3D del edificio 9
Figura 2: Vista en planta del edificio 10
Figura 3: Vista en elevación del edificio 10
Figura 4: Esfuerzos y deformaciones en viga 20
Figura 5: Características de los elementos a flexión 22
Figura 6: Acero en vigas y columnas eje 3 23
Figura 7: Momentos obtenidos en el análisis 27
Figura 8: Momentos últimos para diseño 28
Figura 9: Áreas de refuerzo: cálculo manual vs programa de análisis estructural 29
Figura 10: Armado viga refuerzo longitudinal 30
Figura 11: Corte A-A’ 30
Figura 12: Reporte de diseño automático (programa de análisis estructural) 31
Figura 13: Área encerrada por el flujo de cortante 36
Figura 14: Características de torsión 37
Figura 15: Elevación de la Columna analizada 39
Figura 16: Cargas Últimas proporcionadas por el programa de análisis estructural 43
Figura 17: Resultados del análisis estructural para diseño a Flexo-Compresión (Acero de Refuerzo en cm2) 44
Figura 18: Resultados del análisis estructural para diseño a Flexo – Compresión (Cuantía Requerida) 44
Figura 19: Detalle de Arreglo Escogido 45
Figura 20: Diagrama de Interacción de la Columna Analizada 46
Figura 21: Arreglo escogido para la columna 47
Figura 22: Diagramas de Interacción Reales de la columna analizada 47
Figura 23: Longitud Libre 49
Figura 24: Columna de análisis aislada 52
Figura 25: Nomograma para pórticos no Arriostrados 53
Figura 26: Planta de edificio propuesto 54
Figura 27: Ejemplo de refuerzo transversal en columnas 57
Figura 28: Separación de estribos 57
Figura 29: Resultados del análisis estructural para diseño a Corte 58
Figura 30: Detalle de arreglo propuesto 59
Figura 31: Vista en planta de columna diseñada 62
Figura 32: Vista en elevación de columna diseñada 63
Figura 33: Revisión de: Capacidad de Columna / Capacidad de Viga 64
Figura 34: Revisión de: 1.2 de Capacidad de Viga / Capacidad de Columna 65
Figura 35: Planta analizada (Armadura calculada en Vigas) 66
Figura 36: Planta de Vigas y Columnas que llegan al nudo 66
Figura 37: Elevación de Vigas y Columnas que llegan al nudo (Armadura calculada) 67
Figura 38: Momentos en la unión viga – columna 67
Figura 39: Diagrama de Interacción nominal 69
Figura 40: Diagrama de Interacción nominal 70
Figura 41: Armadura colocada en vigas (Dirección X y Dirección Y) 72
Figura 42: Esquema de zapata cuadrada 76
Figura 43: Diagrama de esfuerzos de servicio carga vertical 77
Figura 44: Diagrama de esfuerzos de servicio carga vertical + sismo 78
Figura 45: Sección crítica para corte unidireccional 79
Figura 46: Diagrama de esfuerzos para corte unidireccional, carga vertical 80
Figura 47: Diagrama de esfuerzos para corte unidireccional, carga vertical + sismo 81
Figura 48: Sección crítica para corte bidireccional 82
Figura 49: Sección crítica para corte bidireccional, carga vertical 83
Figura 50: Sección crítica para corte bidireccional, carga vertical + sismo 84
Figura 51: Diagrama de esfuerzos últimos para cálculo de momentos 87
Figura 52: Armadura de refuerzo – vista 3D y en planta 89
Figura 53: Muro en voladizo esquema y dimensiones 91
Figura 54: Dimensiones, peso y momentos del muro 94
Figura 55: Distribución de esfuerzos del suelo 94
Figura 56: Presiones en la pantalla del muro 95
Figura 57: Distribución acero en pantalla 96
Figura 58: DLC del dedo del muro 99
Figura 59: DLC del talón del muro 101
Figura 60: Esquema del diente del muro 103
Índice de tablas
Tabla 1: Clasificación de edificios de hormigón armado 18
Tabla 2: Combinación de cargas fuente: NEC –SE-CG 19
Tabla 3: Momentos y cuantías de acero en la viga 24
Tabla 4: Momentos y combinación de carga 27
Tabla 5: Cálculo del área de refuerzo de acero 28
Tabla 6: Momento y Aceros de refuerzo 29
Tabla 7: Resumen de diseño a corte (programa de análisis estructural) 35
Tabla 8: Cálculo de acero 36
Tabla 9: Resultados de torsión (programa de análisis estructural) 38
Tabla 10: Cargas Actuantes sobre la columna 40
Tabla 11: Cargas Últimas 41
Tabla 12: Esfuerzos Producidos 42
Tabla 13: Propiedades de la sección y Resultados de Diseño 45
Tabla 14: Cargas axiales últimas para columnas de todo el piso (ton) 55
Tabla 15: Cuantías mínimas para estribos de confinamiento (Fuente ACI 318S-14, 18.7.5.4) 58
Tabla 16: Características columna considerada 59
Tabla 17: Cargas obtenidas mediante programa de análisis estructural 74
Tabla 18: Combinaciones de carga 74
Tabla 19: Combinaciones de cargas últimas 78
Tabla 20: Resumen alturas efectivas de acuerdo al corte 86
Tabla 21: Valores Ru 88
Tabla 22: Centro de gravedad y peso de muro 92
Tabla 23: Momentos en puntos B y C
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